岩石体积变形测量传感器与岩石试件体积变形测量方法

摘要

一种岩石体积变形测量传感器，包括测量油缸、活塞、活塞杆和位移传感器；活塞位于测量油缸内，将测量油缸分为第一腔室和第二腔室；活塞杆为两根，两活塞杆的一端分别与活塞两端面的中心部位固连，它们的另一端分别从测量油缸两端的端盖伸出；位移传感器安装在测量油缸的外侧壁上，其位移测量杆的自由端通过连接件与位于输油主管路出口端的活塞杆连接。一种岩石试件体积变形测量方法，将岩石试件安装在三轴压力试验机的三轴压力室内的试样台上，使用上述岩石体积变形测量传感器进行测量，通过三轴压力试验机的控制系统记录并显示岩石的体积变形。

说明书

技术领域

本发明属于岩石性能测试领域，特别涉及一种对岩石试件体积变形进行定量测试的器具 与方法。

背景技术

现有岩石试件的体积变形是利用安装在岩石试件上的纵向和横向引伸计，或贴在岩石试 件表面的纵向和横向应变片，分别测量其两个方向的应变后，再根据公式计算出岩石的体积 变形。然而，上述测量器具和方法只适用于小变形的硬岩，而对于可发生大变形的软岩则无 法测量，且上述测量器具和方法测得的仅是岩石中部横截面对应的变形，并不是岩石的真实 的体积变形。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种岩石体积变形测量传感器与岩石试件 体积变形测量方法，以便能获得岩石试件在试验过程中体积变形的全过程数据，准确测量出 岩石真实的体积变形。

本发明所述岩石体积变形测量传感器，包括测量油缸、活塞、活塞杆、位移传感器和输 油主管路；活塞位于测量油缸内，将测量油缸分为第一腔室和第二腔室，第一腔室设置有与 输油主管路连接的第一输油支管，第二腔室设置有与输油主管路连接的第二输油支管，输油 主管路与第一输油支管的接头和第二输油支管的接头之间设置有截止阀；活塞杆为两根，两 活塞杆的一端分别与活塞两端面的中心部位固连，且它们的中心线与活塞的中心线重合，两 活塞杆的另一端分别从测量油缸两端的端盖伸出；位移传感器安装在测量油缸的外侧壁上， 其位移测量杆的自由端通过连接件与位于输油主管路出口端的活塞杆连接。

本发明所述的岩石体积变形测量传感器，其活塞杆的长度应大于测量油缸的长度，以满 足测量的需要。

本发明所述的岩石体积变形测量传感器，其连接件优选两端设置有连接孔的杆件或条形 板。

本发明所述岩石试件体积变形测量方法，使用本发明所述岩石体积变形测量传感器，操 作如下：

①将岩石试件安装在三轴压力试验机的三轴压力室内的试样台上，将所述岩石体积变形 测量传感器的输油主管路出口端与所述三轴压力室的输油管连接，将所述岩石体积变形测量 传感器的输油主管路进口端与供油油箱连接，将所述岩石体积变形测量传感器的位移传感器 的信号输出接口与三轴压力试验机的控制系统连接；

②开启所述输油主管路上设置的截止阀，使测量油缸的第一腔室、第二腔室及三轴压力 试验机的三轴压力室充满油液；

③根据初步估算的岩石试件可能发生的最大体积膨胀变形，操作未与位移测量杆连接的 活塞杆，将活塞调至能够测量岩石试件可能发生的最大体积膨胀变形相对应的位置，然后关 闭输油主管路上设置的截止阀；

④测量岩石试件的压缩体积变形时，测量油缸靠近输油主管路出口端的腔室中的油液连 续输入三轴压力试验机的三轴压力室内，致使活塞向输油主管路的出口端运动、与活塞连接 的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆向活塞运动的方向运动，在位移测量杆运动的同时， 位移传感器向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验 机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的压缩体积变形；

⑤测量岩石试件的膨胀体积变形时，三轴压力试验机的三轴压力室内的油液连续输入测 量油缸靠近输油主管路出口端的腔室中，致使活塞向输油主管路的进口端运动、与活塞连接 的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆向活塞运动的方向运动，在位移测量杆运动的同时， 位移传感器向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验 机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的膨胀体积变形。

从上述方法可以看出，当岩石试件发生压缩体积变形时，将导致测量油缸靠近输油主管 路出口端的腔室中的油液减少，从而使靠近输油主管路出口端的腔室体积减小，当岩石试件 发生膨胀体积变形时，将导致测量油缸靠近输油主管路出口端的腔室中的油液增加，从而使 靠近输油主管路出口端的腔室体积增大，而测量油缸靠近输油主管路出口端腔室体积减小值 减去三轴压力试验机加载立柱进入三轴压力室内的体积变化值则为岩石试件发生压缩体积变 形的体积变形值，测量油缸靠近输油主管路出口端腔室体积增加值减去三轴压力试验机加载 立柱进入三轴压力室内的体积变化值则为岩石试件发生膨胀体积变形的体积变形值。根据上 述机理进行软件设计并在三轴压力试验机的控制系统安装所述软件，三轴压力试验机的控制 系统即可根据位移测量杆运动数据的电信号记录并显示岩石的压缩体积变形和膨胀体积变 形。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明为岩石试件体积变形的测量提供了一种与现有技术不同构思的新方法与新测量 仪器，本发明所述方法的特点是可以得到岩石试件在被施压过程中体积变形的全过程数据及 岩石试件的真实体积变形。

2、本发明所述方法有效解决了具有大变形特征的软岩的体积变形测量问题，可为软岩的 利用提供可靠的数据支持。

3、本发明所述岩石体积变形测量传感器不仅结构简单，而且与三轴压力试验机配套使用 操作简便，因而易于推广。

附图说明

图1是本发明所述岩石体积变形测量传感器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是三轴压力试验机的三轴压力室的结构示意图。

图中，1-活塞杆，2-测量油缸（2-1：第一腔室、2-2：第二腔室），3-活塞，4-位移传感器 外壳，5-位移测量杆，6-连接件，7-截止阀，8-输油主管路，9-第一输油支管，10-第二输油支 管，11-岩石试件顶部加载立柱，12-三轴压力室，13-保护膜，14-岩石试件，15-岩石试件底 部加载立柱，16-三轴压力室输油管，17-三轴压力室底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述岩石体积变形测量传感器和岩石试件体积变形的测量方法作 进一步说明。

实施例1

本实施例中，岩石体积变形测量传感器的结构如图1、图2、图3所示，由测量油缸2、 活塞3、活塞杆1、位移传感器、连接件6、输油主管路8、第一输油支管9、第二输油支管 10和截止阀7构成。

测量油缸2的长度为400mm，内径为80mm，活塞3的外径与测量油缸2的内径公称尺 寸相同，且为动配合，所述活塞3位于测量油缸2内，将测量油缸分为第一腔室2-1和第二 腔室2-2；第一输油支管9的一端与第一腔室2-1连接，其另一端与输油主管路8连接，第二 输油支管10的一端与第二腔室2-2连接，其另一端与输油主管路8连接，截止阀7为高压球 阀（型号：MKHP-800，中国榆次天兴液力机械有限公司生产），设置在输油主管路与第一输 油支管的接头和第二输油支管的接头之间；活塞杆1为两根，两活塞杆的长度均比测量油缸 2的长度长40mm，两活塞杆的一端分别与活塞3两端面的中心部位固连，且它们的中心线与 活塞3的中心线重合，两活塞杆的另一端分别从测量油缸两端的端盖伸出；位移传感器为市 售商品（型号：WYDC-500L，生产企业：中国厦门柯原测控技术有限公司），其量程大于测 量油缸2的长度，所述位移传感器安装在测量油缸的外侧壁上，其位移测量杆5的自由端通 过连接件6与位于输油主管路8出口端的活塞杆连接，所述连接件6为两端设置有连接孔的 条形板。

实施例2

本实施例对软岩试件在三轴压力试验中的体积变形进行测量，使用的三轴压力试验机型 号为：MTS815（美国MTS公司生产）；使用实施例1所述的岩石体积变形测量传感器，操作 如下：

①将岩石试件14安装在三轴压力试验机的三轴压力室内的试样台上（如图4所示），将 所述岩石体积变形测量传感器的输油主管路8出口端与所述三轴压力室的输油管16连接，将 所述岩石体积变形测量传感器的输油主管路8进口端与供油油箱连接，将所述岩石体积变形 测量传感器的位移传感器的信号输出接口与三轴压力试验机的控制系统连接；

②开启所述输油主管路8上设置的截止阀7，使测量油缸的第一腔室2-1、第二腔室2-2 及三轴压力试验机的三轴压力室12充满油液；

③根据初步估算的岩石试件可能发生的最大体积膨胀变形，操作未与位移测量杆5连接 的活塞杆，将活塞3调至与岩石试件可能发生的最大体积膨胀变形相对应的位置，然后关闭 输油主管路8上设置的截止阀7；

④操作三轴压力试验机，对岩石试件14施加围压压力，在围压压力的作用下，岩石试件 14逐渐发生压缩体积变形，在此过程中，测量油缸2的第二腔室2-2中的油液连续输入三轴 压力试验机的三轴压力室内，致使活塞3向输油主管路8的出口端运动、与活塞连接的活塞 杆带动位移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，在位移测量杆5运动的同时，位 移传感器向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机 的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的压缩体积变形；

⑤当围压压力加至目标值后，操作三轴压力试验机对岩石试件14施加轴向荷载，直至岩 石发生破坏，在轴向荷载的作用下，岩石试件14首先发生压缩体积变形，然后发生膨胀体积 变形，在岩石试件14发生压缩体积变形过程中，测量油缸2的第二腔室2-2中的油液连续输 入三轴压力试验机的三轴压力室内，致使活塞3向输油主管路8的出口端运动、与活塞连接 的活塞杆带动位移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，在位移测量杆5运动的同 时，位移传感器向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力 试验机的控制系统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的压缩体积变形；在岩石试 件14发生膨胀体积变形过程中，三轴压力试验机的三轴压力室内的油液连续输入测量油缸2 的第二腔室2-2中，致使活塞3向输油主管路8的进口端运动、与活塞连接的活塞杆带动位 移传感器的位移测量杆5向活塞运动的方向运动，在位移测量杆5运动的同时，位移传感器 向三轴压力试验机的控制系统输送位移测量杆运动数据的电信号，三轴压力试验机的控制系 统将接收到的电信号进行处理，记录并显示岩石的膨胀体积变形。